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2 ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IONICO DEPENDIENDODELTIPODEPROCESOSQUETIENENLUGARENTREEL SORBENTE Y LOS SORBATOS, LA SORCIÓN PUEDE CLASIFICARSE DE DIFERENTES FORMAS, ESPECÍFICAMENTE, ADSORCIÓN, ABSORCIÓN E INTERCAMBIO IONICO. Durante el movimiento del agua subterránea en el subsuelo, está en contacto con la superficie de los minerales, por lo que se desarrollan diversas reacciones y procesos entre las fases líquida y sólida. Cuando el proceso involucra transferencia de masa entre la solución y el sólido se le denomina SORCIÓN. En este caso, las especies que son removidas de la solución se denominan SORBATOS y el sólido SORBENTE.
3 ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IONICO Adsorción:Cuandoel moléculasemantiene superficiedelapartícula un complejo solvatado iono enla como Absorción:Cuandoel moléculaseincorpora estructura mineral sorbente iono enla intercambio ionico: Cuando un ion en solucion se adsorbe en la superficie debido a la liberación de un ion de carga similar que ocupaba un espacio en la superficie
4 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie Lassuperficiesdeciertostiposdepartículasencontactoconelagua una subterráneareaccionanconlasoluciónporquehandesarrollado determinada carga eléctrica, lo que sucede por: i) substitución isomórfica de un catión en una estructura mineral por otro ion de menor carga (FIJA), ii) reacciones que involucren grupos funcionales en la superficie del sólido y en la solución (VARIABLE). Las arcillas pueden dividirse en 5 grupos dependiendo del tipo de lámina y delassubstitucionesquepuedenpresentar.Eltipoycantidadde substituciones determinarn la carga de la lámina. La unidad estructural más simples es la lámina 1:1 (CAOLINITA), que tiene la característica de no facilitar las substituciones y por lo tanto generalmente NO desarrolla cargas. EN CONTRASTE, LAS LAMINAS 2:1 DE LA ILLITA, VERMICULITA Y ESMECTITA, PUEDEN PRESENTAR DIFERENTES SUBSTITUCIONES Y POR LO TANTO FÀCILMENTE DESARROLLAN CARGAS FIJAS EN LA SUPERFICIE, Y POR LO GENERAL PRESENTAN CARGAS NEGATIVAS.
5 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie Para balancear las cargas negativas, es posible la sorción de cationes existentes en la solución Complejoexterior esfera, dela Calcio solvatado coordinadocon oxígenos Elcatiónnoestá unidodirectamente con la superficie del mineral, por lo que pueden intercambiarse fácilmente con iones en solución Complejointerior delaesfera,K coordinadocon oxígenos (absorción)
6 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie UN TIPO FINAL DE ADSORCIÓN CONSIDERA EL DESBALANCE DE CARGA EN LA SUPERFICIE DE LA PARTÍCULA. LOS IONES OPUESTOS NO ESTÁN UNIDOS A LA SUPERFICIE PERO COMO SON MÀS ABUNDANTES QUE LOS CO-IONES ES EFECTO NETO ES EL BALANCE DE CARGA. IONES OPUESTOS CAPADIFUSADE CATIONES CONCENTRADOS EN LA SUPERFICIE TANTO LOS CO-IONES COMO LOS IONES OPUESTOS CONFORMAN LO QUE SE CONOCE COMO LA DOBLE CAPA DIFUSA
7 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie Otros minerales desarrollan su carga por reacciones de complejación con hidroxiles de la superficie. Las cargas resultantes no son fijas porque dependen de las interacciones con la solución, específicamente del pH. Por ejemplo, a pH bajo los hidroxiles de la superficie reaccionan con H+ para formar superficies cargadas positivamente. S OH H S OH S OH H S OH 2 ALGUNOS HIDRÓXIDOS, JUNTO CON MINERALES DEL GRUPO DE LA CAOLINITA DESARROLLAN UNA CARGA VARIABLE, DEPENDIENTE DEL pH DE LA SOLUCIÓN, A pH BAJO LA CARGA ES NEGATIVA QUE CAMBIA A POSITIVA CONFORME SE INCREMENTA EL pH DE LA SOLUCIÓN. EL PUNTO DE CARGA CERO (PZC) CORRESPONDE CON EL VALOR DE pH PARA EL QUE LA CARGA NETA EN LA SUPERFICIE DEL MINERAL ES CERO.
8 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie Un caso importante es cuando se determina el pH para el que la carga establecida por el enlace o disociación de iones hidrógeno produce una carga cero (PZNPC).
9 ADSORCIÓNEINTERCAMBIOIONICO: Desarrollo de carga en la superficie LA MAGNITUD DE LA CARGA SUPERFICIAL DESARROLLADA POR MINERALES DE CARGA FIJA, ES MUCHO MAYOR QUE LA CORRESPONDIENTE A SÓLIDOS DE CARGA-VARIABLE
10 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Isotermas de sorción IONICO: LA CAPACIDAD DE UN SUELO PARA ADSORBER UN SOLUTO A PARTIR DE UNA SOLUCIÓN, PUEDE DETERMINARSE EN LABORATORIO MEDIANTE PRUEBAS EN LAS QUE UNA MASA CONOCIDA DE SUELO SE MEZCLA CON UNA SOLUCIÓN QUE CONTIENE UNA CONCENTRACIÓN CONOCIDA DE SOLUTO. SmSm S (C i C)V Ci es la concentración inicial del adsorbato (mg/l), V es el volumen de solución (ml), Sm masa del suelo (g), S es la masa adsorbida. La prueba consiste en determinar la cantidad adsorbida cambiando la concentración de adsorbato en la solución mediante la realización de diversos experimentos, que se denominan isotermas de adsorción debido a que se realizan a temperatura constante.
11 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO IONICO: Isotermas de sorción La información permite definir relaciones lineales y no lineales. Existen dos tipos de relaciones más comunes: isotermas de Freundlich y Langmuir. S KCnS KCn isoterma de Freundlich; K es el coeficiente de distribución, n tiene un valor máximo de 1.0.
12 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO IONICO: Isotermas de sorción REPRESENTACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE ISOTERMAS
13 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Isotermas de sorción IONICO:
14 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Adsorción de metales IONICO: CUANDO EN UNA SOLUCIÓN EXISTEN DIVERSOS METALES (CATIONES) QUE TIENEN A ADSORBERSE EN LA SUPERFICIE DE LAS PARTÍCULAS, EXISTE UNA COMPETENCIA ENTRE ELLOS POR LOS SITIOS DISPONIBLES; SIN EMBARGO, ALGUNOS TIENEN MAYOR AFINIDAD QUE OTROS. Entrelosfactoresquedeterminandichaselectividadsetieneel POTENCIAL IONICO (carga/radio ionico). Los cationes con menor potencial ionico tienen a formar complejos superficiales de esferas internas más fácilmente y por lo tanto se adsorben más fácilmente. Cuando los cationes son de la misma carga, la selectividad es función del radio ionico únicamente. Cs Rb K Na Li Ba 2 Sr 2 Ca 2 Mg 2 Hg 2 Cd 2 Zn 2
15 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Adsorción de metales IONICO: PARA LOS METALES DE TRANSICIÓN, LA CONFIGURACIÒN ELECTRÓNICA ES MÀS IMPORTANTE QUE EL RADIO IONICO PARA DETERMINAR LA SELECTIVIDAD Cu 2 Ni 2 Co 2 Fe 2 Mn 2 Los iones que se adsorben en las superficies de los sólidos por medio del complejo de esferaexterior mecanismosde ypor lacapa ser difusa,pueden intercambiados por iones de carga similar presentes en la solución. La capacidad de un material para realizar este proceso se llama CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO
16 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Intercambio cationico IONICO: REACCIÓN GENERAL QUE ESTABLECE EL INTERCAMBIO CATIONICO nA m mBX mB n nAX BmAnBmAn N mN m B N nN n A K K N meq de A por 100 g de sedimento CEC Coeficiente de selectividad Fracción equivalente El valor del coeficiente de selectividad indica la preferencia relativa del sorbente por los dos cationes. 2Na CaX Ca 2 2NaX Ca2 N 2Ca2 N 2 Na N 22 Na Na Ca Na K Si K es igual a 1.0, no existe preferencia de la superficie por alguno de ellos. Cuando es menor que 1.0 entonces existe preferencia del sorbente por el Ca +2. Si fuera mayor de 1.0 sería lo contrario.
17 ADSORCIÓNEINTERCAMBIO Intercambio cationico
18 PACIFIC OCEAN CORTES GULF SantoSanto Domingo stream A' Bramonas stream B' SANTO DOMINGO IRRIGATION DISTRICT (SDID) To La Paz To Loreto Sierra La Giganta A B U.S.A. REPUBLICA MEXICANA watershed
19 6000 5000 --.5. 4000 U) "'C 3000 "'C 2000 1000 Borehole 2-2 --..-- Borehole 42-19 -- ·Borehole 45-7 -- -Borehole 21-27 -x- · Borehole 8-5 oBorehole 35-78 0 1968197319781983 Time 198819931998
20 < 500500-10001000-20002000-3000> 3000 Total dissolved solids (mg/l) 1968 (N=221, 40% of total active boreholes) 1995 (N=423, 56% of total active boreholes)
21 Water Table Sea Level Kilometers Meters Kilometers Water Table Quaternary granular materials Salada Formation (Pliocene-Pleistocene) Fm. Tepetate (Paleocene-Eocene) Fm. Santo Domingo (Paleocene) (undeterminated) Sea Level Geologic Contact Electrical Sounding
22 .... ···..···········.. ·.....·····1968. ; ······ :::. ··.........·..·' ········-··················· ESCALE 0510 KM ESCALE 0510 Kr....19 95
23 Na 50% Mg 25% Na 25% Mg 50% Ca 25% Mg 25% Ca 50% HCO 3 50% HCO 3 25% SO 4 25% SO 4 50% SO 4 25% Cl 25% Cl 50% Grupo 1Grupo 1 Grupo 2Grupo 2Grupo 3Grupo 3 Grupo 4Grupo 4 Grupo 5Grupo 5 (1)(1)(2)(2)(3)A(3)A (5)(5)(6)(6) C (8)(8)(9) B MAR